基于景觀指數的景觀格局研究進展

文／丁金銘 浙江工業大學設計與建筑學院 2020 級本科生

戴 偉 浙江工業大學設計與建筑學院 講 師 博 士（通訊作者）

引言

基于信息論和分形幾何學的景觀指數可為科學地量化分析景觀格局提供技術支撐，成為當前國內外生態學家、地理學家、城市規劃師們關注的熱點。結合景觀指數，分析特定區域的景觀格局有利于促進景觀科學的可持續發展，促進土地規劃和建立可持續人居環境。文章綜合運用關鍵詞與文獻統計分析法，旨在探索基于景觀指數的景觀格局研究進展。首先對景觀格局與景觀指數的概念進行了闡述，其次綜述了基于景觀指數的景觀格局研究現狀，并從增加表征質量維度的景觀指數、增加表征地形環境的景觀指數、增加基于過程導向的景觀格局分析方法、增加對景觀格局多尺度動態性研究4 個方面提出了研究展望。

1 景觀格局與景觀指數的概念

景觀格局一般指景觀在空間上的形態組織，具有一定的結構特征并能反映其背后的各類過程。空間異質性是景觀格局最基本的屬性，并與景觀中尺度性、等級性以及邊緣效應性等屬性密切相關。斑塊、廊道和基質模型是目前用于測度景觀格局特征的主流模型[1]，它利用與“空間語言”有關的模式抽象化表征景觀結構、功能和動態變化情景。“斑塊-廊道-基質”組合模型較好地考慮了景觀格局與過程的相互關系以及隨時間的變化。

景觀指數是基于多層級、多尺度的間要素配置的能夠反映景觀格局特征的定量指標。目前常用的景觀指數包含三個層級四個類別。三個層級分別為個體斑塊、斑塊類型和景觀整體層級。四個類別分別為面積-邊緣類別、形態類別、聚散度/鄰近度類別以及多樣性類別。以O'Neill、Turner 等為代表的美國國家實驗室的生態學家們為此作出了卓越貢獻。之后，景觀指數逐漸與島嶼生物地理學、滲透理論、等級理論融合，形成了大量景觀指數的衍生集合[2-4]。

2 研究進展

基于景觀指數的景觀格局研究的核心是明晰“格局特征-過程屬性”耦合關系中的要素動態變遷、各類過程誘因及空間格局表征現象。動態演變、尺度效應、格局基底和環境問題4 個方面是現狀研究熱點。

2.1 動態演變

動態演變分析主要針對景觀組成和構型兩大方面研究特定地區的景觀格局變化方式，它是理解特定尺度格局-過程動態變化的核心。該類研究可基于不同時間與空間的比較，提取不同時段衛星遙感信息，經校正并演繹之后，運用景觀指數軟件計算和分析信息柵格圖中數據。演變分析主要表現在城市-景觀梯度變化、生境破碎化、動力機制研究3 個方面。

2.1.1 城市——景觀梯度變化研究

不同空間下景觀指數的梯度變化可以較好地明晰土地利用程度與各因素干擾活動程度，從而形成梯度法在研究景觀格局中的運用[5]。利用城市-景觀梯度原理，采用樣帶分析方法，定量研究區域快速城市化對景觀格局演變造成的影響[6]。美國城市規劃師Luck 等基于景觀指數，研究美國亞利桑那州Phoenix 城市景觀梯度樣帶上的景觀格局[7]。英國生態經濟學家Radford 等以英國曼切斯特為案例，提出結合六種非經濟生態價值與城鄉梯度的工具與方法[8]。

2.1.2 生境破碎化研究

景觀破碎化涉及景觀格局的脆弱性問題，長期以來是人們高度關注的對象。物種多樣性的減少、生境破碎可直接導致表征景觀格局的景觀指數產生變化。仇江嘯等采用梯度分析與景觀指數結合的方法，研究了城市景觀破碎化的空間分布格局和差異水平，并利用以斑塊密度、邊緣密度、景觀分類度等指數衡量了城市景觀破碎化的程度[9]。德國風景園林師Guindon 等運用景觀指數與元胞自動機模型，基于遙感解譯分析了人類活動對生境破碎化的影響，指出只有理解景觀指數與人類活動的耦合關系才能阻止生境破碎化[10]。

2.1.3 動力機制研究

景觀指數可以與城市年鑒中的人口、發展強度進行關聯性研究，探索并解析導致景觀格局變化的動因機制。我國城市規劃師Deng 等運用景觀指數時空變化分析杭州市1996—2006 年土地覆蓋，得出城市土地變化經歷了從農業用地變為城市用地的趨勢[11]。陽文銳模擬了2004—2020 年北京市全市域與六環內兩個尺度下的景觀格局時空變化特征，結合社會經濟總體規劃和城市發展政策因素，解析北京市變化的驅動力因素[12]。

2.2 尺度效應

尺度是景觀格局的重要屬性。景觀指數的計算結果與粒度的變化、斑塊的分割與融合、信息精確度、分辨率大小和改變邊界有關。認識和研究景觀尺度效應是正確理解景觀格局的關鍵[13]。選取不同尺度（粒度與幅度）作為景觀格局分析的研究基礎，其得到的結果也不同[14]。美國生態學家Turner 等在20 世紀80 年代創建了景觀指數的同時，利用不同的景觀粒度切分方式，對景觀指數進行了尺度效應的驗證，發現不同尺度下的景觀指數有著明顯的不同[15]。吳未等選用了19 個景觀水平指數和近期新引入的自相關Moran's I 指數，發現Moran's I 指數存在尺度效應[16]。董翠芳等以鞏義市為例，計算了7 種粒度下52 個指數，并明確了物種多樣性的景觀粒度范圍[17]。徐麗等分析不同尺度變化對22 個景觀指數影響，并對不同景觀指數分析的適宜尺度范圍進行了分析[18]。

2.3 格局基底

建立景觀生態安全格局常常通過層次分析法、模糊數學、灰色關聯分析法構建基于特定權重的評價指標體系，并通過空間疊圖法將與環境有關的空間要素繪制到一張綜合圖紙中，從而為規劃設計提供依據。俞孔堅等利用景觀指數界定了景觀安全格局的內涵，通過疊合與場地水文、地質、生物、游憩景觀特征有關的空間要素，形成了辨別維護上述空間要素過程安全的景觀生態安全格局[19,20]。

2.4 環境問題

近年來，景觀指數除了定量分析景觀格局外，還用來剖析由景觀格局演變衍生的各類環境影響，建立景觀格局與自然環境問題的量化關聯。該類研究集中在熱島效應、水文環境、大氣環境等3 個方面。

2.4.1 熱島效應

遙感反演可幫助建立城市熱力景觀斑塊圖，利用景觀指數分析城市熱島格局演變的特征。與傳統指數（NDVI、植被覆蓋、不透水面覆蓋等）表征熱島強度不同，景觀指數能夠更好地描述熱島格局的形態參數。黃聚聰等用景觀指數分析城市熱島景觀與景觀格局隨著城市化進程演變的趨勢[21]。江學頂等運用多樣性指數、分離度與自相關指數Geary C，揭示景觀格局變化與熱環境和城市氣候的影響[22]。我國地理學者Chen 等根據景觀指數中的空間位置與空間鄰接關系指數，發現城市景觀的空間位置與其空間鄰接關系也會對熱島效應產生影響[23]。

2.4.2 大氣環境

大氣污染主要是城市內廠礦廢棄排放、汽車尾氣排放與建筑工地揚塵，與城市景觀格局的演變有著密切關系。丁宇等認為綠地斑塊的面積與連接度指數與大氣固碳釋氧作用呈明顯相關。大氣污染因人口密度、產業分布和景觀格局的類型、異質性、連通性等特征不同而有不同的凈化速率[24]。

2.4.3 水體環境

城市化過程會改變地表覆蓋狀況，對城市的水文特性產生影響。景觀指數可以用來評價水體功能。城市土地利用/覆蓋的變化影響徑流、徑流歷時以及最大洪峰等水文指標，地表水與地下景觀格局的變化導致城市下墊面環境改變，建設用地不僅隔離城市地表水下滲，還將切斷城市地表與地下水文聯系。美國生態學家Ahern 等結合景觀指數，運用分層模型得出水體泄洪指數與景觀的連接度有關[25]。劉珍環等利用景觀格局分析，耦合景觀分布與生態過程與水質監測，探究景觀動態變化與河流水質的關系，探討導致水質退化的景觀指數閾值[26]。

3 研究展望

基于景觀指數的景觀格局分析已有大量研究成果，但還存在一些缺陷。筆者認為，未來研究可以重點從以下4 方面開展。

3.1 增加表征質量維度的景觀指數

絕大多數景觀指數側重于統計表面形態，景觀指數的變化無法表達景觀的三維格局，導致現有景觀格局只能被數量化而不能被品質化。因此有必要研究在景觀指數中增加質量維度的可能性和實現形態。

3.2 增加表征特定地形環境的景觀指數

景觀指數的計算值依賴于景觀分割的像元大小、景觀依托的尺度等級和土地利用分類的粗細程度。通過遙感解譯而獲取的土地利用數據是目前景觀格局分析中的主要數據來源。依托遙感解譯的計算后得出的景觀指數未考慮到特定的地形環境特征。目前，針對不同地域而采取統一的景觀指數，沒有充分考慮包括坡度、坡向等在內的不同的地形環境，導致利用形態反映的生態過程與實際情況不相符。因此，針對特定地形環境，增加相應的景觀指數確有必要。

3.3 增加基于過程導向的景觀格局分析方法

景觀格局的生態解釋是景觀格局研究的主要目標之一。目前的研究只關注景觀格局幾何特征的分析和描述，但對基于過程導向的景觀格局分析方法尚需深入。如何將景觀格局指數與特定場地實際的各類游憩、生態、文化等過程聯系起來，提出基于特定景觀指數的表征不同演變過程的景觀格局分析方法，對于深化景觀格局與場地過程研究具有重要意義。

3.4 增加對景觀格局的多尺度、動態性研究

現有的景觀指數僅能表達景觀格局形態在特定尺度下的靜態信息，缺少融入跨時空維度的屬性，從而導致在解釋景觀格局多尺度動態變化的意義時出現無法解釋的窘境。因此，未來景觀格局分析需要強化多尺度、動態性研究。

結語

本文綜合運用關鍵詞分析法與文獻統計分析法，旨在探索基于景觀指數的景觀格局研究進展。景觀指數一類從空間層面能夠反映景觀格局特征的定量指標。景觀格局一般指景觀在空間上的形態組織，具有一定的結構特征并能反映其背后的生態過程。研究成果表明，現階段大量研究主要集中在動態演變、尺度效應、格局基底和環境問題4個方面，內容十分多元但依然具有局限性。未來，增加表征質量維度的景觀指數、增加表征地形環境的景觀指數、增加基于過程導向的景觀格局分析方法、增加對景觀格局多尺度動態性研究應成為新的研究熱點。